JP3692506B2

JP3692506B2 - Free piston regenerative Stirling engine

Info

Publication number: JP3692506B2
Application number: JP2001165832A
Authority: JP
Inventors: 韶松見
Original assignee: 韶松見
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: JP2002322946A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由ピストンを出力ピストンとディスプレーサ・ピストンに適用した自由ピストン型再生スターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスターリング機関は、出力機構に機械的変換装置を有するものが一般的であり、機構運動による振動の発生、機械的摩擦損失の発生、複雑な機構による製造コスト高およびメンテナンス・コスト高が実用上の欠点とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
（１）往復動ピストンと出力機構の運動から発生する振動をなくすこと。
（２）複雑な出力機構によらず単純な構造とすること。
（３）熱再生器の再生効率の向上を図ること。
（４）出力ピストンとディスプレーサ・ピストンの運動は、スターリング・サイクルの実現のためには、適切な位相差をもつことが必須とされる。
機械的変換装置では、機構的に位相差が固定されてしまうが、自由ピストン型を採用することによつて、運転条件に応じて最適に調整可能とすること。
（５）従来型では、ピストンと外部出力機構の間に機械的接続が必要なため、作動ガスの気密保持が物理的に困難とされてきた。
機関本体を完全密閉構造とし、高圧作動ガスの封入を可能ならしめること。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（１）自由ピストンを対向型に配置することにより、従来型のもつ不平衡起振力を理論上零とする。
（２）自由ピストンの採用により、出力機構を単純化し機械的摩擦損失を減らし、メンテナンス・フリー化を達成する。
（３）熱再生器を機関本体に内蔵することにより放熱損失を防ぎ、ガスの流動抵抗損失を減らし、熱再生効率を向上させる。
（４）出力ピストンの運動から、リニア発電機によつて電気出力を取りし、その電力の一部を用いてリニア電動機によつて、ディスプレーサ・ピス・トンを駆動する。
両ピストンの動きがスターリング・サイクルの実現に最適となるように制御するため、電気／電子制御装置を設け電子的にプログラムされた制御を行うものとする。
このとき、リニア発電機の電気出力とリニア電動機の消費電力の差が、外部出力として取出される。
（５）機関本体外構に、自由ピストンを機構的に完全に内蔵した密閉構造とする。これにより、内部に高圧作動ガスを封入しても漏洩のおそれがなく、高出力化、高効率化とメンテナンス・フリー化が実現できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、スターリング機関の出力ピストンとディスプレーサ・ピストンを共に自由ピストン対向配置することにより、無振動性（理論的）を確保している。このため、機関の中央部に加熱部を、両端に冷却部を配置し、それらの中間に対向する円筒形出力ピストンと円環形ディスプレーサ・ピストンを、それぞれを対にして配置する。
【０００６】
両ピストンは、内シリンダと外シリンダ内を機構的拘束なく自由に滑動するが各シリングとピストン間でリニア発電機とリニア電動機を構成させ、リニア発電／電動機において、発電／消費される電力の余剰分を機関の外部出力として取り出すものとする。
すなわち、機械的変換機構によらず直接電気出力を得るものとする。
【０００７】
出力ピストンの一部に熱の再生器を組みこみ、作動ガスの熱損失と流動抵抗損失の極少化を図り、有効な熱再生を行うろものとする。
【０００８】
【０００６】で記述のリニア発電／電動機は、別に設ける電気／電子制御装置で制御される。
両ピストンの運動が、運転条件に応じて最適の位相差をもつように制御装置に電子プログラムを組みこむ。
【０００９】
出力ピストンの往復運動を励起するガス反撥室を設ける。
反撥室のガス圧縮による容積の変化が、全作動ガスの容積変化に相当し、これがスターリング・サイクルを成立させる機構となる。
【００１０】
対向ピストンの対称運動は、【０００８】で記述の電気／電子制御装置によつても制御されるが、力学的にも対称運動になることを図つて、加熱室の圧力均衡のためのガス流通孔を設ける。
さらに、加熱室と冷却室間にもガス流通孔を機関中央線に対して対称に設けて、ピストンの運動が流体力学的に調整される機構とする。
【００１１】
【実施例】
再生スターリング・サイクルは、次のようなプロセスで実現される。
図−１に示すように膨脹ピストン（１）と圧縮ピストン（２）の間に熱再生器（３）を設け、加熱された作動ガスの保有熱を流動に応じて、これに蓄熱したり、放熱したりする役目をもたす。
図の線図は、１サイクル中の両ピストンの動きを示したもので、１サイクルを４等分（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ）して示す。
Ａでは、膨張ピストン（１）は、加熱されたガスの膨脹圧力で外方に動かされて、外部へ仕事をする。
一方、圧縮ピストン（２）は、内方位置で停つたままでいる。
Ｂでは、両ピストンの平列移動でガスが再生器（３）へ放熱しながら移動するのみである。
Ｃでは、逆に圧縮ピストンが内方へ移動し、ガスを圧縮するが、膨脹ピストンは内方位置に停つたままでいる。
Ｄでは、両ピストンの平列移動でガスが再生器から受熱しながら移動するのみである。
この過程で１サイクル（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａ）が完結する。
これをスターリング・サイクル線上で示すと、図−２の通りとなる。
【００１２】
図−２により、再生スターリング・サイクルを説明する。
このサイクルで面積（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａ）が、理想的に取り出せる機関の出力（外部仕事量）Ｗ_ｔであり、
Ｗ_ｔ＝Ｗ_ａｂ＋Ｗ_ｃｄ
となる。
スターリング・サイクルの理論熱効率η_ｔｈは、出力（仕事量）と加熱量の比で示される。
η_ｔｈ＝（Ｗ_ａｂ＋Ｗ_ｃｄ）／（Ｑ_ａｂ＋Ｑ_ｄａ）
若し、熱再生が理想的に行われると、加熱量Ｑ_ｄａが放熱量Ｑ_ｂｃで再生されるため、実質的に必要な加熱量は、Ｑ_ａｂ＝Ｗ_ａｂのみでサイクルが成立する。
したがつて、理想的な再生サイクルの理論熱効率η_ｔｈｒは、
η_ｔｈｒ＝（Ｗ_ａｂ＋Ｗ_ｃｄ）／Ｗ_ａｂ＝１−Ｔ_ｌ／Ｔ_ｈ
となることが証明される。
ここで、Ｔ_ｈは、このサイクルの最高絶対温度（Ａ→Ｂ間）であり、Ｔ_ｌは最低絶対温度（Ｃ→Ｄ間）である。
すなわち、この事実は、最高温度Ｔ_ｈと最低温度Ｔ_ｌ間で作動する理想的なカルノー・サイクルの効率と合致することを示している。
したがつて、図−１に示すような再生スターリング・サイクルが実現できると、カルノー・サイクルに匹敵する高い理論熱効率をもつ外燃機関が出現することになる。
【００１３】
図−１の両ピストンの動きを、再現するために自由ピストン式を選択する。
その目的は、出力機構の簡素化にある。
自由ピストン式は、その機構が単純であり、機械的ロスが少いうえに耐久性にも優れるものと孝えられている。
図−１のピストンの動きを、２個のフリーピストン体で再現するため図−３に示すような構成を孝案した。
ピストン（１）は、円筒シリンダー（１ａ）に内蔵され自由に滑動する円筒形ピストンである。
ピストン（２）は、ピストン（１）を内蔵するシリンダ（１ａ）の外周を自由に滑動する円環形ピストンである。
シリング（１ａ）の両端は、本体（２ａ）に支持されており、一方が加熱側、他方が冷却側となる。
作動ガスの流動が可能なように、シリンダの両端には、通気孔（１ｂ）、（１ｃ）が開口されている。
ピストン（１）、（２）の両側の作動ガスがピストンの位置関係によつて、再生器（３）内を流動するよう管路（３ａ）、（３ｂ）が通結されている。
この機構において、図−１に示した過程がどのように再現できるかを示したものが図−３の線図である。
Ａの初めでは、作動ガスはほとんどが加熱側にあるためガスの圧力、温度が上昇し、ピストン（１）を冷却側に動かす。
Ｂの初めでは、ガスがすべて加熱側にあり、膨脹を完了している。
ついで、ピストン（１）、（２）が同時に加熱側へ動き、Ｃの初めではガスはすべて冷却側に移つている。
Ｄの初めでは、ピストン（２）が冷却側へもどり始め、ついでピストン（１）がもどりＤの終りではＡの初めの状態に復す。
このようにして１サイクルを完了し、ピストンの動きを示す線図は図−１と同じものであることがわかる。
（ただし、ピストンの動く方向は、本機構では逆方向になつている。）
このピストン（１）、（２）の動きは、近似的に位相差９０度で動いている。（既存のスターリング機関のピストン機関の作動も、これと同じようにほぼ位相差９０度で動いている。）
【００１４】
実際の機関を実現するに当つて、さらに次の課題を達成するものとする。
１）ピストン（１）、（２）に、位相差が約９０度の運転を実現させること。
２）ピストン（１）、（２）の位相差が約９０度であるため、ピストンの運動軸方向に不平衡力が生ずる。
この不平衡力を原理的に消去する工夫をなすこと。
３）ピストン（１）から外部へ出力（動力）を取り出すこと。
４）ピストン（２）の運動は、ピストン（１）から得られる出力の一部をフィードバックして確保すること。
５）ピストンの前後の加熱側と冷却側に作動ガスが流動するための通気孔と、その間に熱再生器を設けること。
【００１５】
【００１４】に列挙した重要課題を実現する機構を考案し、図−４にその基本機構を示す。
（１）は円筒状出力（膨脹）ピストンで、（２）は円環体状ディスプレサー（圧縮）・ピストンで、いずれも自由ピストンとして作動する。
（４）は加熱器で高温に保たれる部分であり（５）は冷却器で低温に保たれる部分である。
（１ａ）は、ピストン（１）が滑動するための内シリンダーであり、（２ａ）にはピストン（２）が内蔵され、かつ本体の外囲いとなる外シリンダーである。
（６）は、（１）に軸で結合された反撥ピストンで、反撥室（１ｄ）内で滑動し、（１）の反撥運動を実現するものである。
また、（１）には熱再生器（３）が内蔵されており、それを貫通して、熱再生通路（３ｃ）が多数設けられている。（４ａ）は加熱室であり、（５ａ）は冷却室である。内シリンダー（１ａ）には、作動ガスが流通するための高温ガス通気孔（１ｂ）と、低温ガス通気孔（１ｃ）が設けられている。
また（１ａ）には、リニア発電機（７）と（２ａ）の中央部にリニア電動機（８）が設けられている。
（９）は、（７）と（８）に電気的に結合されている電気／電子制御装置である。
本構造は、本体の中央線で対称となる水平対向型に構成されている。
（したがつて、片側のみで説明ができる。）
【００１６】
本機の作動を説明する。
図−３に示した通りの過程で、ピストン（１）、（２）が作動するものとする。Ａのとき、加熱室（４ａ）内の作動ガスは、高温、高圧となつておりピストンを押し出すように働く。
Ｂでは、両ピストンとも冷却側（外死点）に位置し、すべてのガスが加熱側にあり、膨脹が完了しついる。
このとき、ピストンの動きで、リニア発電機（７）では電気出力が発生する。
ＢからＣで、両ピストンが同時に内方へ移動するが、このときピストン（１）は、反撥室（１ｄ）に蓄われられたエネルギーで内方に反転運動し、この動きでも、またリニア発電機（７）で電気出力が発生する。一方、ディスプレサー・ピストン（２）は、冷却室（５ａ）の部分的反撥力でも内方に戻るが、主としてリニア電動機の動力で駆動される。
両ピストンが内方に戻るとき、ピストンの位置関係から、加熱室（４ａ）と冷却室（５ａ）の両室が、通気孔（１ｂ）、（１ｃ）を通じて連通されるため、作動ガスがすべて冷却側へ移動したのち、両ピストンは内死点に到達する。
ＣからＤになると、ピストン（２）が、リニア電動機（８）の駆動力で外方へ戻されるため、冷却されたガスは、（１ｃ）を流通し再生器（３）から再生熱を受熱し昇温しつつ、加熱室（４ａ）に流入する。
加熱室（４ａ）に戻つたガスは、加熱器（４）で加熱され、再び高温、高圧に復す。こうして両ピストンは、Ａの状態に復帰し、１サイクルを完了する。
このような両自由ピストンの動作の確立は、リニア発電機（７）とリニア電動機（８）の電気的制御を電気／電子制御装置を用いて行うことによつて可能となる。
すなわち、出力ピストン（１）から電気出力を得て、その一部の電力をリニア電動機にフィードバック（電力供給）することにより行われる。
実際には、電気／電子制御装置内に設けられるコンピュータ・プログラムによつて、両ピストン（１）、（２）の作動が自由ピストン・スターリング機関として最適に作動するように（例えば９０度の位相差の確立など）制御する。
なお、リニア発電機とリニア電動機は、機関の始動機としても機能する。
【００１７】
本機関から得られる電気出力は、

となる。
すなわち、リニア発電機の電気出力の一部がリニア電動機に必要な電力として供給される。消費される電力は、ディスプレーサ・ピストンを動かし作動流体の圧縮および流動のために費される。
余剰の電力が、スターリング機関としての外部出力となる。
【００１８】
反撥室（１ｄ）は、出力ピストンの反撥運動を励起するためのものであるが、反撥室内の流体の圧縮と膨脹によつて生ずる容積変化が、全作動流体の容積変化と相等しい。したがつて、スターリング・サイクルの最大容積Ｖ_ｍａｘと最小容積Ｖ_ｍｉｎが定まり、サイクルの圧縮比εが次式で決まる。
圧縮比ε＝Ｖ_ｍａｘ／Ｖ_ｍｉｎ
圧縮比が高い方が、理論熱効率が向上することが判つている。
【００１９】
本発明は、対向型自由ピストン方式であるため、ピストンの対称的運動の確立
が前提である。【００１６】で記述した電気／電子制御装置は、また対向ピストンの対称的運動の制御を行うものであるが、力学的な平衡作用を助長するために加熱室（４）に圧力平衡孔（４ｃ）を設けている。
左右の加熱室（４ａ）、（４ｂ）に何らかの理由で圧力差が生じて左右のピストンに非対称な運動が生じた場合、圧力平衡孔（４ｃ）によつて平衡に復す。
また、通気孔（１ｃ）、（１ｅ）は、左右対称に設けられているため、何らかの理由でピストンの動きが非対称となると、作動流体の流動に左右で不平衡が生じ圧力の差異が現われるが、これも圧力平衡孔（４ｃ）によつて補正される。
これらの作用によつて対向型自由ピストンの対称運動を確保することができる。
【００２０】
【発明の効果】
ピストン（１）と（２）が、約９０度の位相差で運動することにより生ずる本質的な不平衡力は、対向型自由ピストン方式で理論的に消去することが可能となる。これは、無振動機関としてあらゆる利用に有用であるが、とりわけ宇宙基地塔載用の発電装置として適合する。本機関と太陽光集光装置を組合せて、宇宙空間で利用するとき、何らの燃料を使用することなく半永久的に電力を確保することができるようになる。
【００２１】
自由ピストンを内蔵した完全密閉構造の本体で構成されるため、出力はリニア発電機による電気出力として直接的に得られる。機械的出力機構がないため、内部に高圧の作動流体を封入することが可能となる。
作動ガスの圧力（平均有効圧力）が高いことが、効率および出力性能に有利であることが明らかになつている。
【００２２】
熱再生器を出力ピストンに内蔵しているため、熱損失および流動抵抗損失の極小化が実現できる。
【００１２】で記述したように熱再生効率が高いと、理論熱効率がカルノー・サイクルに近づくことが知られている。
【００２３】
自由ピストンの運動を、リニア発電／電動機と電気／電子制御装置の組合せによつて、プログラム制御することが可能である。
これによつて、出力ピストンとディスプレーサ・ピストンの位相差を運転状況（負荷）によつて最適に制御することができる。
また、負荷（出力）に応じた最適化運転（高効率化）も可能となる。
同時に、対向型自由ピストンの対称的運動を確保することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】再生スターリング・サイクルのピストン行程線図である。
【図２】再生スターリング・サイクル線図とサイクル過程における熱移動量、仕事量を説明する図である。
【図３】自由ピストン・スターリング機関の作動を説明する図であろ。
【図４】本発明を具体的な実施例として、基本計画した機関の断面図である。
【符号の説明】
１出力（膨脹）ピストン
１ａ内シリンダ
１ｂ（高温ガス）通気孔
１ｃ、１ｅ（低温ガス）通気孔
１ｄ反撥室
２ディスプレーサ（圧縮）ピストン
２ａ外シリンダ（本体）
３熱再生器
３ａ（加熱側）管路
３ｂ（冷却側）管路
３ｃ熱再生通路
４加熱器
４ａ加熱室（右）
４ｂ加熱室（左）
４ｃ圧力平衡孔
５冷却器
５ａ冷却室
６反撥ピストン
７リニア発電機
８リニア電動機
９電気／電子制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a free piston type regenerative Stirling engine in which a free piston is applied to an output piston and a displacer piston.
[0002]
[Prior art]
Conventional Stirling engines generally have a mechanical conversion device in the output mechanism. Generation of vibration due to mechanism movement, generation of mechanical friction loss, high manufacturing cost and maintenance cost due to complicated mechanism are practical. It is considered as the above drawback.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
(1) Eliminate vibration generated by the movement of the reciprocating piston and output mechanism.
(2) A simple structure regardless of the complicated output mechanism.
(3) To improve the regeneration efficiency of the heat regenerator.
(4) The movements of the output piston and the displacer piston must have an appropriate phase difference in order to realize the Stirling cycle.
In the mechanical conversion device, the phase difference is fixed mechanically, but by adopting a free piston type, it is possible to optimally adjust according to operating conditions.
(5) In the conventional type, since mechanical connection is required between the piston and the external output mechanism, it has been physically difficult to keep the working gas hermetically sealed.
Make the engine body completely sealed, and allow high-pressure working gas to be sealed.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
(1) The unbalanced vibration force of the conventional type is theoretically made zero by disposing the free piston in the opposed type.
(2) By adopting a free piston, the output mechanism is simplified, mechanical friction loss is reduced, and maintenance-free is achieved.
(3) By incorporating a heat regenerator in the engine body, heat loss is prevented, gas flow resistance loss is reduced, and heat regeneration efficiency is improved.
(4) From the movement of the output piston, an electric output is taken by the linear generator, and the displacer piston is driven by the linear motor using a part of the electric power.
In order to control the movement of both pistons so as to be optimal for realizing the Stirling cycle, an electronic / electronic control device is provided to perform electronically programmed control.
At this time, the difference between the electric output of the linear generator and the power consumption of the linear motor is taken out as an external output.
(5) A sealed structure in which the free piston is mechanically completely built in the engine body exterior. As a result, there is no risk of leakage even if high-pressure working gas is sealed inside, and high output, high efficiency, and maintenance-free operation can be realized.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention ensures non-vibration (theoretical) by arranging the output piston and the displacer piston of the Stirling engine both to face each other. For this reason, a heating part is arranged at the center of the engine, a cooling part is arranged at both ends, and a cylindrical output piston and an annular displacer piston facing each other are arranged in pairs.
[0006]
Both pistons slide freely within the inner and outer cylinders without mechanical constraints, but each shilling and piston constitutes a linear generator and a linear motor. In the linear generator / motor, excess power is generated / consumed. The minute is taken out as the external output of the engine.
That is, it is assumed that an electrical output is obtained directly regardless of the mechanical conversion mechanism.
[0007]
A heat regenerator is built into a part of the output piston to minimize heat loss and flow resistance loss of the working gas, and to perform effective heat regeneration.
[0008]
The linear generator / motor described in (1) is controlled by an electric / electronic control device provided separately.
An electronic program is incorporated into the control device so that the movement of both pistons has an optimum phase difference according to the operating conditions.
[0009]
A gas repulsion chamber is provided to excite the reciprocating motion of the output piston.
The volume change due to gas compression of the repulsion chamber corresponds to the volume change of the total working gas, and this is a mechanism for establishing the Stirling cycle.
[0010]
The symmetrical movement of the opposed piston is also controlled by the electric / electronic control device described in ## EQU1 ## but the gas flow for the pressure balance in the heating chamber is also intended to be symmetrical in terms of dynamics. Make a hole.
Furthermore, a gas flow hole is provided symmetrically with respect to the engine center line between the heating chamber and the cooling chamber, so that the piston motion is adjusted hydrodynamically.
[0011]
【Example】
The regeneration Stirling cycle is realized by the following process.
As shown in FIG. 1, a heat regenerator (3) is provided between the expansion piston (1) and the compression piston (2), and the retained heat of the heated working gas is stored in accordance with the flow, It plays the role of heat dissipation.
The diagram of the figure shows the movement of both pistons during one cycle, and shows one cycle divided into four equal parts (A-B-C-D).
In A, the expansion piston (1) is moved outward by the expansion pressure of the heated gas to work outside.
On the other hand, the compression piston (2) remains at the inward position.
In B, the gas only moves while dissipating heat to the regenerator (3) by the parallel movement of both pistons.
In C, on the contrary, the compression piston moves inward and compresses the gas, but the expansion piston remains in the inward position.
In D, only the gas moves while receiving heat from the regenerator by parallel movement of both pistons.
In this process, one cycle (A-B-C-D-A) is completed.
This is shown in FIG. 2 on the Stirling cycle line.
[0012]
The reproduction Stirling cycle will be described with reference to FIG.
In this cycle, the area (A-B-C-D-A) is an engine output (external work amount) W _t that can be taken out ideally,
W _t = W _ab + W _cd
It becomes.
The theoretical thermal efficiency η _th of the Stirling cycle is expressed by the ratio between the output (work amount) and the heating amount.
η _th = (W _ab + W _cd ) / (Q _ab + Q _da )
If the heat regeneration is ideally performed, the heating amount Q _da is regenerated with the heat radiation amount Q _bc , and therefore, the cycle is established when the substantially necessary heating amount is Q _ab = W _ab only.
Therefore, the theoretical thermal efficiency η _thr of the ideal regeneration cycle is
η _thr = (W _ab + W _cd ) / W _ab = 1−T ₁ / _Th
It is proved that
Here, _Th is the highest absolute temperature (between A → B) of this cycle, and T ₁ is the lowest absolute temperature (between C → D).
Namely, this fact indicates that matches the ideal efficiency of Carnot cycle operating between the highest temperature T _h and the minimum temperature T _l.
Therefore, if the regeneration Stirling cycle as shown in FIG. 1 can be realized, an external combustion engine having a high theoretical thermal efficiency comparable to the Carnot cycle will appear.
[0013]
The free piston type is selected to reproduce the movement of both pistons in FIG.
The purpose is to simplify the output mechanism.
The free-piston type has a simple mechanism, has little mechanical loss, and is regarded as having excellent durability.
In order to reproduce the movement of the piston in FIG. 1 with two free piston bodies, the configuration as shown in FIG. 3 was devised.
The piston (1) is a cylindrical piston which is built in the cylindrical cylinder (1a) and freely slides.
The piston (2) is an annular piston that freely slides on the outer periphery of the cylinder (1a) containing the piston (1).
Both ends of the shilling (1a) are supported by the main body (2a), one being the heating side and the other being the cooling side.
Vent holes (1b) and (1c) are opened at both ends of the cylinder so that the working gas can flow.
Pipe lines (3a) and (3b) are connected so that the working gas on both sides of the pistons (1) and (2) flows in the regenerator (3) according to the positional relationship of the pistons.
In this mechanism, the diagram of FIG. 3 shows how the process shown in FIG. 1 can be reproduced.
At the beginning of A, since most of the working gas is on the heating side, the pressure and temperature of the gas increase, and the piston (1) is moved to the cooling side.
At the beginning of B, all the gas is on the heated side and the expansion is complete.
Next, the pistons (1) and (2) are simultaneously moved to the heating side, and at the beginning of C, all of the gas is transferred to the cooling side.
At the beginning of D, the piston (2) begins to return to the cooling side, and then the piston (1) returns to return to the initial state of A at the end of D.
Thus, one cycle is completed, and it can be seen that the diagram showing the movement of the piston is the same as FIG.
(However, the moving direction of the piston is reversed in this mechanism.)
The movements of the pistons (1) and (2) are approximately moving with a phase difference of 90 degrees. (The operation of the piston engine of the existing Stirling engine also moves with a phase difference of 90 degrees in the same manner as this.)
[0014]
In realizing an actual organization, the following issues shall be achieved.
1) Make the pistons (1) and (2) operate with a phase difference of about 90 degrees.
2) Since the phase difference between the pistons (1) and (2) is about 90 degrees, an unbalanced force is generated in the direction of the movement axis of the piston.
Ingenuity to eliminate this unbalanced force in principle.
3) Extracting output (power) from the piston (1) to the outside.
4) The movement of the piston (2) shall be ensured by feeding back a part of the output obtained from the piston (1).
5) Provide a vent for the working gas to flow on the heating and cooling sides before and after the piston, and a heat regenerator between them.
[0015]
A mechanism for realizing the important problems listed in the above is devised, and its basic mechanism is shown in FIG.
(1) is a cylindrical output (expansion) piston, and (2) is an annular displacer (compression) piston, both of which operate as a free piston.
(4) is a part kept at a high temperature by a heater, and (5) is a part kept at a low temperature by a cooler.
(1a) is an inner cylinder for sliding the piston (1), and (2a) is an outer cylinder in which the piston (2) is incorporated and which surrounds the main body.
(6) is a repulsive piston coupled to (1) by a shaft, and slides within the repellent chamber (1d) to realize the repulsive motion of (1).
Further, (1) has a built-in heat regenerator (3) through which a large number of heat regenerating passages (3c) are provided. (4a) is a heating chamber, and (5a) is a cooling chamber. The inner cylinder (1a) is provided with a high temperature gas ventilation hole (1b) and a low temperature gas ventilation hole (1c) through which the working gas flows.
Further, in (1a), a linear electric motor (8) is provided at the center of the linear generators (7) and (2a).
(9) is an electric / electronic control device electrically coupled to (7) and (8).
This structure is configured in a horizontally opposed type that is symmetric with respect to the center line of the main body.
(Thus, it can be explained only on one side.)
[0016]
The operation of this machine will be described.
It is assumed that the pistons (1) and (2) operate in the process shown in FIG. At A, the working gas in the heating chamber (4a) is at a high temperature and a high pressure and works to push out the piston.
In B, both pistons are located on the cooling side (external dead center), all gases are on the heating side, and expansion is being completed.
At this time, an electric output is generated in the linear generator (7) by the movement of the piston.
From B to C, both pistons move inward simultaneously. At this time, the piston (1) reverses inward with the energy stored in the repulsion chamber (1d). Electric power is generated in the machine (7). On the other hand, the displacer piston (2) returns inward even by the partial repulsion of the cooling chamber (5a), but is driven mainly by the power of the linear motor.
When both pistons return inward, the heating chamber (4a) and the cooling chamber (5a) are communicated with each other through the vent holes (1b) and (1c) because of the positional relationship between the pistons. After moving to the cooling side, both pistons reach internal dead center.
From C to D, the piston (2) is returned to the outside by the driving force of the linear motor (8), so the cooled gas flows through (1c) and receives the regenerated heat from the regenerator (3). Then, the temperature rises and flows into the heating chamber (4a).
The gas returned to the heating chamber (4a) is heated by the heater (4), and is restored to high temperature and high pressure again. Thus, both pistons return to the state A and complete one cycle.
Establishing such operations of both free pistons becomes possible by performing electrical control of the linear generator (7) and the linear motor (8) using an electric / electronic control device.
That is, it is performed by obtaining an electrical output from the output piston (1) and feeding back a part of the electric power to the linear motor (power supply).
In practice, the computer program provided in the electric / electronic control device allows the operation of both pistons (1), (2) to operate optimally as a free piston Stirling engine (for example, at the order of 90 degrees). Control).
The linear generator and the linear motor also function as an engine starter.
[0017]
The electrical output obtained from this institution is

It becomes.
That is, a part of the electric output of the linear generator is supplied as electric power necessary for the linear motor . The power consumed is spent for compressing and flowing the working fluid by moving the displacer piston.
Surplus power becomes an external output as a Stirling engine.
[0018]
The repulsion chamber (1d) is for exciting the repulsion motion of the output piston, but the volume change caused by the compression and expansion of the fluid in the repulsion chamber is equal to the volume change of the entire working fluid. Therefore, the maximum volume V _max and the minimum volume V _{min of} the Stirling cycle are determined, and the compression ratio ε of the cycle is determined by the following equation.
Compression ratio ε = V _max / V _min
It has been found that the higher the compression ratio, the better the theoretical thermal efficiency.
[0019]
Since the present invention is an opposed free piston system, it is premised on the establishment of a symmetrical movement of the piston. The electric / electronic control device described in (1) also controls the symmetrical movement of the opposed piston, but in order to promote the dynamic equilibrium action, the heating chamber (4) has a pressure balancing hole (4c). ).
When a pressure difference occurs in the left and right heating chambers (4a) and (4b) for some reason and an asymmetrical movement occurs in the left and right pistons, the pressure balance hole (4c) restores the equilibrium.
In addition, since the vent holes (1c) and (1e) are provided symmetrically, if the movement of the piston becomes asymmetrical for some reason, the flow of the working fluid is unbalanced from side to side and a pressure difference appears. This is also corrected by the pressure balancing hole (4c).
By these actions, the symmetrical movement of the opposed free piston can be ensured.
[0020]
【The invention's effect】
The intrinsic unbalance force caused by the movement of the pistons (1) and (2) with a phase difference of about 90 degrees can be theoretically eliminated by the opposed free piston system. This is useful for all uses as a vibration-free engine, but is particularly suitable as a power generator for a space station tower. When this engine and solar concentrator are combined and used in outer space, power can be secured semi-permanently without using any fuel.
[0021]
Since it is composed of a completely sealed main body with a built-in free piston, the output can be obtained directly as an electrical output from a linear generator. Since there is no mechanical output mechanism, it is possible to enclose a high-pressure working fluid inside.
It has become clear that a high working gas pressure (mean effective pressure) is advantageous for efficiency and power performance.
[0022]
Since the heat regenerator is built in the output piston, heat loss and flow resistance loss can be minimized.
It is known that the theoretical thermal efficiency approaches the Carnot cycle when the heat regeneration efficiency is high as described in (1).
[0023]
The movement of the free piston can be program controlled by a combination of linear generator / motor and electric / electronic controller.
As a result, the phase difference between the output piston and the displacer piston can be optimally controlled by the operating condition (load).
Moreover, the optimization operation (high efficiency) according to load (output) is also attained.
At the same time, it is possible to ensure symmetrical movement of the opposed free piston.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a piston stroke diagram of a regeneration Stirling cycle.
FIG. 2 is a diagram illustrating a reproduction Stirling cycle diagram and heat transfer amount and work amount in a cycle process.
FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of a free piston Stirling engine.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an engine that is basically planned according to a specific embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Output (Expansion) Piston 1a Inner Cylinder 1b (High Temperature Gas) Vent Hole 1c, 1e (Low Temperature Gas) Vent Hole 1d Rebound Chamber 2 Displacer (Compression) Piston 2a Outer Cylinder (Main Body)
3 Heat Regenerator 3a (Heating Side) Pipeline 3b (Cooling Side) Pipeline 3c Heat Regeneration Passage 4 Heater 4a Heating Chamber (Right)
4b Heating chamber (left)
4c Pressure balancing hole 5 Cooler 5a Cooling chamber 6 Repelling piston 7 Linear generator 8 Linear motor 9 Electric / electronic control device

Claims

In a Stirling engine that achieves a Stirling cycle using both the output piston (1) and the displacer piston (2) moving with a constant phase difference as a free piston, the output piston (1) is built in the inner cylinder (1a). The displacer piston (2) is formed in an annular shape and is built between the outer cylinder (2a) and the inner cylinder (1a), and the pistons (1, 2) are concentrically inward and outward on the same axis. A Stirling institution characterized by the arrangement.

Stirling according to claim 1, characterized in that the output piston (1) and the displacer piston (2) each have two pairs, and the two unbalanced forces are arranged opposite to each other so that the generated unbalanced force is zero. organ.

A flow hole (4c) is provided in the heater (4) provided in the center of the engine, and a vent hole (1b, 1b; The Stirling engine according to claim 2, wherein 1c and 1e) are provided, and the movement of the piston is automatically adjusted by the flow of gas.

By incorporating a heat regenerator (3) as a part of the output piston (1), there is less resistance to working gas flow between the heating chamber (4a) and the cooling chamber (5a), and heat can be regenerated efficiently. The Stirling engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the Stirling engine is performed.

From the movement of the output piston (1), an electric output is obtained by the linear generator (7), and the displacer piston (2) is driven by the linear electric motor (8) by using a part of the electric power. The program control is performed so that the movements of both pistons are optimized by the control device, and the surplus power of the linear generator is extracted as an external output. Stirling agency.

6. The outer cylinder (2a) has a sealed structure in which both the pistons (1, 2) are completely contained, and high pressure working gas is sealed in the sealed structure. Stirling institution described in.

The gas repulsion chamber (1d) for exciting the reciprocating motion of the output piston (1) is provided, and the volume change in the repulsion chamber corresponds to the volume change of the entire working gas. The Stirling organization according to one.